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Turbocharger housings in internal combustion engines are subjected to severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their life-time or during engine testing. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermo-mechanical fatigue (TMF) of the material. For the computational TMF life assessment of high temperature components, the DTMF model can provide reliable TMF life predictions. The model is based on a short fatigue crack growth law and uses local finite-element (FE) results to predict the number of cycles to failure for a technical crack. In engine applications, it is nowadays often acceptable to have short cracks as long as they do not propagate and cause loss of function of the component. Thus, it is necessary to predict not only potential crack locations and the corresponding number of cycles for a technical crack, but also to determine subsequent crack growth or even a possible crack arrest. In this work, a method is proposed that allows the simulation of TMF crack growth in high temperature components using FE simulations and non-linear fracture mechanics (NLFM).
A NLFM based crack growth simulation method is described. This method starts with the FE analysis of a component. In this paper, the method is demonstrated for an automotive turbocharger housing subjected to TMF loading. A transient elastic-viscoplastic FE analysis is used to simulate four heating and cooling cycles of an engine test. The stresses, inelastic strains, and temperature histories from the FEA are then used to perform TMF life predictions using the standard DTMF model. The crack position and the crack plane of critical hotspots are then identified. Simulated cracks are inserted at the hotspots. For the model demonstrated, cracks were inserted at two hotspot locations. The ΔJ integral is computed as a fracture mechanics parameter at each point along the crack-front, and the crack extension of each point is then evaluated, allowing the crack to grow iteratively. The paper concludes with a comparison of the crack growth curves for both hotspots with experimental results.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Ermüdungs- und Schädigungsverhalten der in Verbrennungsmotoren eingesetzten Aluminiumgusslegierungen AlSi7Cu0,5Mg-T7 und AlSi12Cu3Ni2Mg-T7. Im Vergleich zur niederzyklischen sowie thermomechanischen Ermüdungsbeanspruchung führt die zusätzliche Überlagerung hochzyklischer Belastungen zu einer signifikanten Lebensdauerreduktion, die mit der Replika-Technik beobachteten Beschleunigung des Kurzrisswachstums erklärt werden kann. Frakto- und metallographische Untersuchungen zeigen, dass Rissinitiierung und Lebensdauerverhalten durch Gussdefekte sowie von belastungs- und temperaturabhängigen Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Die Lebensdauern werden mit einem mechanismenbasierten Risswachstumsmodell vorhergesagt. Dazu wird der Schädigungsparameter DTMF,brittle entwickelt, der die charakteristischen Schädigungsmechanismen berücksichtigt. Die Legierung AlSi12Cu3Ni2Mg-T7 wird abschließend mit der Finite-Elemente-Methode und mikrostrukturbasierten Zellmodellen untersucht. Mit den Simulationsergebnissen können die experimentell beobachteten Schädigungsmechanismen fundiert gestützt werden.
In thermomechanisch hochbelasteten Bauteilen begrenzt das Wachstum von Ermüdungsrissen die Bauteillebensdauer. Es kommen Lebensdauermodelle und Finite-Elemente Simulationen zum Einsatz, um ein vorzeitiges Bauteilversagen zu verhindern. Hierbei werden im Allgemeinen deterministische Werkstoffeigenschaften unterstellt, sodass die Information über die im realen Werkstoff auftretenden Streuungen verloren geht, was eine Unsicherheit im Auslegungsprozess mit sich bringt. In der vorliegenden Ausarbeitung werden Methoden zur adäquaten Bestimmung der Werkstoffkennwerte und zur Beschreibung ihrer Streuung durch statistische Verteilungen entwickelt. Einen wesentlichen Aspekt der Arbeit stellt die Bestimmung von objektiven Werkstoffkennwerten dar, zu deren Zweck ein Robustheitskriterium eingeführt wird. Anhand zahlreicher Versuchsdatensätze der Nickelbasislegierung MARM247 und des niobstabilisierten austenitischen Stahls X6 CrNiNb 18-10 kann diese Methodik ausgearbeitet werden und führt auf ein probabilistisches Lebensdauermodell, dass die Abschätzung des Einfluusses von statistisch verteilten Werkstoffkennwerten auf die Ermüdungslebensdauer erlaubt. Als Ergebnis einer Monte-Carlo Simulation zeigt sich, dass im Vergleich von deterministischer zu probabilistischer Lebensdauerbewertung eine probabilistische Auswertung bei beiden untersuchten Werkstoffen zu einem um circa Faktor zwei größeren Streuband in der Lebensdauer führt. In einem Bauteilkonzept wird die anhand der Versuchsdaten erarbeitete Methodik erweitert, sodass eine Abschätzung des Ein usses von streuenden Werkstoffeigenschaften auf Bauteilebene durch Finite-Elemente Simulationen möglich wird. Es kommt das Two-Layer-Viscoplasticity Modell zum Einsatz. Um die Streuung seiner Werkstoffkennwerte ermitteln zu können, reicht die vorliegende Datenbasis nicht aus, sodass Annahmen zu den Werkstoffkennwerten getroffen werden müssen.
The following contribution deals with the experimental investigation and theoretical evaluation of fatigue crack growth under isothermal and non-isothermal conditions at the nickel alloy 617. The microstructure and mechanical properties of alloy 617 are influenced significantly by the thermal heat treatment and the following thermal exposure in service. Hence, a solution annealed and a long-time service exposed material condition is studied. The crack growth measurement is carried out by using an alternate current potential drop system, which is integrated into a thermomechanical fatigue (TMF) test facility. The measured fatigue crack growth rates results in a function of material condition, temperature and load waveform. Furthermore, the results of the non-isothermal tests depend on the phase between thermal and mechanical load (in-phase, out-of-phase). A fracture mechanic based, time dependent model is upgraded by an approach to consider environmental effects, where almost all model parameters represent directly measureable values. A consistent description of all results and a good correlation with the experimental data can be achieved.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses in der Rissspitzenumgebung auf die Rissschließeffekte bei Risswachstum. Im hierfür verwendeten Finite-Elemente-Modell wird um die Rissspitze eines Oberflächenrisses in einer quasi unendlich ausgedehnten Platte eine zufällig angeordnete Kornstruktur erzeugt. Zur Beschreibung des mikrostrukturellen Materialverhaltens wird ein Einkristallplastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung eingesetzt. Das Werkstoffverhalten der umliegenden Platte wird mit einem in Abaqus/Standard vorhandenen homogenen von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung beschrieben. Insgesamt werden fünf unterschiedliche Mikrostrukturen simuliert und mit dem rein homogenen Werkstoff verglichen. Die zyklische Belastung erfolgt dehnungskontrolliert ohne Mitteldehnung im Modus I für zwei makroskopische Dehnungsamplituden im Bereich der Fließdehnung und deutlich oberhalb davon. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissschließen, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungen, Form und Größe der Körner und durch Korngrenzen. Bei niedriger Belastung zeigen die Mikrostrukturen mehr Rissschließeffekte verglichen zum homogenen Modell. Mit steigender Belastung nimmt bei allen Simulationen das Rissschließen ab. Der relevanteste Rissschließmechanismus ist das plastizitätsinduzierte Rissschließen, welches bei höherer Belastung durch Aufrauen der Rissflanken zusätzlich rauhigkeitsinduziertes Rissschließen verursacht.
Mit einem zweiten Finite-Elemente-Modell wird das Rissschließen und die Entwicklung der zyklischen Rissspitzenöffnung für den viertelskreisförmigen Riss in der dreidimensionalen Corner-Crack-Probe unter spannungskontrollierten isothermen und anisothermen TMF-Beanspruchungen untersucht. Hierfür findet ein temperaturabhängiges Abaqus/Standard von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung und Kriechansatz Anwendung. Alle Simulationen zeigen eine deutliche Beeinflussung der Bewertungsgrößen an der freien Probenoberfläche und im Probeninneren. Das Rissschließen nimmt mit steigender Belastung und mit zunehmend positiven Mittelspannungen ab. Zudem werden bei niedrigeren makroskopischen Belastungen geringere zyklische Rissspitzenöffnungen an der Probenoberfläche als in der Probenmitte beobachtet, was in direktem Zusammenhang mit dem Rissschließen steht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen mehr Rissschließen für eine Belastung in Phase, verglichen zu einer gegenphasigen Beanspruchung.
In this paper a practical way for fatigue life prediction of rubber products under multiaxial loads is shown. This is done by means of fracture mechanical concepts and the energy release rate as the failure criterion. Due to a FEA post-processor the potential energy release rate might be calculated at every material point supposed there was a crack. And therefore the risk of failure and with the help of a strain number curve the time to fatigue is able to be calculated by FEA. This concept is applied for an estimation of the life time of a test specimen with tensile loading from fatigue data of a shear loaded specimen of different design. This rather more theoretical concept of the energy release rate is complemented by experimental crack growth data by a Tear Fatigue Analyzer with its great advantage of reduction of testing time and costs compared to those of fatigue tests. For some materials a thorough characterization of crack growth and fatigue behavior is presented and is applied to estimate the time to fatigue by FEA for a real component under multiaxial loads.
Cast aluminum alloys are frequently used as materials for cylinder head applications in internal combustion gasoline engines. These components must withstand severe cyclic mechanical and thermal loads throughout their lifetime. Reliable computational methods allow for accurate estimation of stresses, strains, and temperature fields and lead to more realistic Thermomechanical Fatigue (TMF) lifetime predictions. With accurate numerical methods, the components could be optimized via computer simulations and the number of required bench tests could be reduced significantly. These types of alloys are normally optimized for peak hardness from a quenched state that maximizes the strength of the material. However due to high temperature exposure, in service or under test conditions, the material would experience an over-ageing effect that leads to a significant reduction in the strength of the material. To numerically account for ageing effects, the Shercliff & Ashby ageing model is combined with a Chaboche-type viscoplasticity model available in the finite-element program ABAQUS by defining field variables. The constitutive model with ageing effects is correlated with uniaxial cyclic isothermal tests in the T6 state, the overaged state, as well as thermomechanical tests. On the other hand, the mechanism-based TMF damage model (DTMF) is calibrated for both T6 and over-aged state. Both the constitutive and the damage model are applied to a cylinder head component simulating several cycles on an engine dynamometer test. The effects of including ageing for both models are shown.
Cast aluminum cylinder blocks are frequently used in gasoline and diesel internal combustion engines because of their light-weight advantage. However, the disadvantage of aluminum alloys is their relatively low strength and fatigue resistance which make aluminum blocks prone to fatigue cracking. Engine blocks must withstand a combination of low-cycle fatigue (LCF) thermal loads and high-cycle fatigue (HCF) combustion and dynamic loads. Reliable computational methods are needed that allow for accurate fatigue assessment of cylinder blocks under this combined loading. In several publications, the mechanism-based thermomechanical fatigue (TMF) damage model DTMF describing the growth of short fatigue cracks has been extended to include the effect of both LCF thermal loads and superimposed HCF loadings. This approach is applied to the finite life fatigue assessment of an aluminum cylinder block. The required material properties related to LCF are determined from uniaxial LCF tests. The additional material properties required for the assessment of superimposed HCF are obtained from the literature for similar materials. The predictions of the model agree well with engine dyno test results. Finally, some improvements to the current process are discussed.
In this paper, a temperature-dependent viscoplasticity model is presented that describes thermal and cyclic softening of the hot work steel X38CrMoV5-3 under thermomechanical fatigue loading. The model describes the softening state of the material by evolution equations, the material properties of which can be determined on the basis of a defined experimental program. A kinetic model is employed to capture the effect of coarsening carbides and a new isotropic cyclic softening model is developed that takes history effects during thermomechanical loadings into account. The temperature-dependent material properties of the viscoplasticity model are determined on the basis of experimental data measured in isothermal and thermomechanical fatigue tests for the material X38CrMoV5-3 in the temperature range between 20 and 650 ∘C. The comparison of the model and an existing model for isotropic softening shows an improved description of the softening behavior under thermomechanical fatigue loading. A good overall description of the experimental data is possible with the presented viscoplasticity model, so that it is suited for the assessment of operating loads of hot forging tools.
High temperature components in internal combustion engines and exhaust systems must withstand severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their lifetime. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermomechanical fatigue (TMF) of the material. Analytical tools are increasingly employed by designers and engineers for component durability assessment well before any hardware testing. The DTMF model for TMF life prediction, which assumes that micro-crack growth is the dominant damage mechanism, is capable of providing reliable predictions for a wide range of high-temperature components and materials in internal combustion engines. Thus far, the DTMF model has employed a local approach where surface stresses, strains, and temperatures are used to compute damage for estimating the number of cycles for a small initial defect or micro-crack to reach a critical length. In the presence of significant gradients of stresses, strains, and temperatures, the use of surface field values could lead to very conservative estimates of TMF life when compared with reported lives from hardware testing. As an approximation of gradient effects, a non-local approach of the DTMF model is applied. This approach considers through-thickness fields where the micro-crack growth law is integrated through the thickness considering these variable fields. With the help of software tools, this method is automated and applied to components with complex geometries and fields. It is shown, for the TMF life prediction of a turbocharger housing, that the gradient correction using the non-local approach leads to more realistic life predictions and can distinguish between surface cracks that may arrest or propagate through the thickness and lead to component failure.